朱杰然
(1.中國石油大學〈華東〉,山東 東營257061;2.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院,山東 東營257017)
天然氣水合物是21世紀一種重要的戰(zhàn)略資源,已經(jīng)吸引了各國政府和科學家的高度關注,我國目前也正積極開展天然氣水合物的調(diào)查及勘探、開發(fā)的研究工作[1,2]。天然氣水合物勘探的關鍵之一是取樣技術,由于海域天然氣水合物多賦存于海洋海床深部,只有進行海洋深部鉆探,才能取得礦床評價所需信息。目前國外已設計并投入使用的取樣工具有很多種,我國也研制了一些深海沉積物取樣器,但主要用于獲取海床表層的沉積物樣品[3,4],目前還未見可用于深海、深層巖心保真取樣的工具。筆者在參與研制深海天然氣水合物取樣工具的過程中,進行了一些相關的理論探討工作。
國內(nèi)外已經(jīng)進行的深??茖W鉆探工程表明,由于取樣過程中的“樁效應”[5,6]等問題,鉆探過程中的巖心取樣率很難保證。因此,針對深海天然氣水合物鉆探取樣過程中“樁效應”現(xiàn)象進行力學分析,對鉆具的優(yōu)化設計及后續(xù)海洋平臺上的實際取樣過程的操作均具有十分重要的現(xiàn)實意義。目前國際上對鉆探過程的“樁效應”現(xiàn)象的機理還缺乏統(tǒng)一的認識,理論上增加取樣筒孔徑可以增加取樣率,但是地質(zhì)鉆探過程所采用的取樣筒的尺寸限制非常苛刻[7],取樣筒的最大內(nèi)徑控制在10 cm左右。本文從解析的角度對深海天然氣水合物鉆探取樣過程中可能存在的“樁效應”現(xiàn)象做了一定的分析。
深海取樣工具如圖1所示,鉆井工作過程中,護筒及筒外巖層切削工具在驅(qū)動力的作用下旋轉(zhuǎn),切削海床上部地層,到達目標層位后,取樣筒在靜壓作用下刺入巖層中,獲取樣品。隨著樣品進入取樣筒中高度增加,筒內(nèi)的樣品與取樣筒內(nèi)壁的摩擦阻力增加,當總摩阻力達到某一數(shù)值時,取樣筒下部的巖層受力達到極限狀態(tài),不再進入取樣筒內(nèi)。進入取樣筒的樣品像“瓶塞”一樣阻止下部的巖層進入取樣筒,就出現(xiàn)了“樁效應”。
圖1 深海取樣工具取樣筒部位結構
由于取樣筒一般為圓筒形,可以近似認為巖心受力是一個軸對稱問題。任取樣筒內(nèi)一段高為dz的巖心微分體,其受力情況如圖2,由豎向靜力平衡可得:
圖2“樁效應”力學分析
式中:A——取樣筒橫截面積;σv——豎向應力;τv——樣品與取樣筒內(nèi)壁的摩擦力;U——取樣筒內(nèi)部圓周長。
將式(1)兩邊取微分,可得:
式中:D——取樣筒的內(nèi)徑。
忽略取樣過程對巖層的擾動及樣品筒中樣品的壓縮,樣品與取樣筒之間的摩擦力可以寫為:
式中:μ——樣品與取樣筒之間的摩擦系數(shù);k——巖層的靜止側壓力系數(shù)。
將式(3)代入式(2),可得到樣品豎向應力的微分方程:
式(4)在z=0處的邊界條件為:
式中:P0——取樣層位的平均豎向應力,即P0=γ'H;γ'、H——分別為巖層的有效重度和取樣深度。
式(2)的解為:
設產(chǎn)生“樁效應”時的取樣高度為d,則巖心和取樣筒之間的摩擦力為:
將式(3)代入式(7)可得:
當“樁效應”產(chǎn)生時,取樣筒下方的土體達到極限狀態(tài),可知:
將式(8)代入式(9)可得:
從式(10)中可知,取樣高度和取樣管管徑、樣品與管之間的摩擦系數(shù)、海床的原位壓力以及側壓力系數(shù)和強度參數(shù)等相關。從以上的分析可知,取樣高度隨取樣筒內(nèi)徑D的增加而增加,隨樣品與取樣管之間的摩擦系數(shù)μ的增加而減小。
為了驗證解析分析的正確性,本文計算了D和μ變化時取樣高度的變化。計算所用的參數(shù)如下:取樣筒內(nèi)徑D的變化范圍為4~10 cm,樣品和取樣筒之間的摩擦系數(shù)μ的變化范圍為0.2~0.5,取樣深度為100 m,海床表層土體的有效重度為7.5 kN/m3,水合物(結冰狀態(tài))的內(nèi)摩擦角取35°,粘聚力為300 kPa。
圖3、圖4給出了取樣筒內(nèi)徑和土-管之間摩擦系數(shù)變化時取樣高度的變化,由圖可知:取樣高度隨取樣筒內(nèi)徑呈線性變化,當取樣筒內(nèi)徑為10 cm時,取樣高度可接近0.45 m。深海深層取樣筒的總長度約為1.0 m,因此其取樣率約為45%。當土-管之間的摩擦系數(shù)增加時,取樣高度減小。當μ達到0.5時,取樣率不到20%,技術、經(jīng)濟上是不合理的。
圖3 取樣高度隨取樣筒內(nèi)徑的變化
圖4 取樣高度隨取樣筒與樣品之間摩擦系數(shù)的變化
工程鉆井實踐表明,“樁效應”不僅表現(xiàn)為取樣筒內(nèi)的樣品“堵塞”取樣筒,還表現(xiàn)為取樣筒下部的巖層在荷載的作用下,發(fā)生塑性流動,無法進入取樣筒內(nèi)。因此,“樁效應”還和取樣筒下部巖層的極限承載力有關,巖層的承載能力越小,特別是取樣筒從較硬的巖層進入較軟的巖層時,越容易出現(xiàn)“樁效應。因此取樣率還和目標巖層的強度指標、取樣深度相關。由于目前獲得的深海沉積層的土工參數(shù)資料非常少見,本文根據(jù)文獻調(diào)研的數(shù)據(jù)[8~11],通過參數(shù)分析,研究了樣品長度隨巖層的內(nèi)摩擦角φ、粘聚力c和取樣深度H的關系。
圖5給出了目標巖層的內(nèi)摩擦角φ對取樣高度的影響。圖5(a)和圖5(b)分別給出了取心筒內(nèi)徑D和土-管之間摩擦系數(shù)μ變化時取樣高度的變化。由圖可知,取樣高度隨巖層內(nèi)摩擦角的增加而顯著增加。從圖5(a)可知,當巖層內(nèi)摩擦角為25°時,采用10 cm內(nèi)徑的取樣筒也僅能達到約30%的取樣率;當巖層內(nèi)摩擦角為45°時,其最大取樣率可接近80%。從圖5(b)可知,當巖層內(nèi)摩擦角為45°時,最大取樣率可達60%;當巖層內(nèi)摩擦角為25°時,最大取樣率約為20%。
圖5 巖層內(nèi)摩擦角對取樣高度的影響
圖6給出了目標巖層粘聚力c對取樣高度的影響,圖6(a)和圖6(b)分別給出了取心筒內(nèi)徑D和土-管之間摩擦系μ變化時取樣高度的變化。與內(nèi)摩擦角變化時類似,由圖6可知,巖層粘聚力提高也有助于提高取樣率。綜合圖5和圖6分析可知,提高目標巖層的強度可以提高采樣率。由于天然氣水合物在取樣過程中容易受鉆桿的擾動,強度指標降低,實際取樣工具的設計應考慮從技術上減少對巖層的擾動。
天然氣水合物一般賦存于水深>300 m的海床底下,在南海水底的水合物一般埋藏在水深超過1000 m的海底160 m左右的巖層中。本文研究了取樣深度對取樣高度的影響(圖7)。圖7(a)和圖7(b)分別給出了取心筒內(nèi)徑D和土-管之間摩擦系數(shù)μ變化時取樣高度的變化。由圖7可知,隨著取樣深度增加,取樣高度減小,但是減小的幅度非常小。
圖6 巖層粘聚力對取樣高度的影響
圖7 取樣深度的影響
計算結果表明,取樣高度隨取樣筒內(nèi)徑的擴大而增加,隨取樣筒與樣品之間的摩擦系數(shù)的增加而減小。參數(shù)分析表明,取樣高度隨巖層內(nèi)摩擦角和粘聚力的增加而增加。取樣深度對取樣高度的影響較小。工程實踐中,為了提高取樣率,應該主要研究如何降低取樣筒和巖心之間的摩擦阻力。
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